Entropie phänomenal - neue Experimente zur anschaulichen Einführung

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1 Entropie phänomenal - neue Experimente zur anschaulichen Einführung MNU 2008 Kaiserlautern Horst Petrich Dieter Plappert Alexander Schweimler Seminar für Didaktik und Lehererbildung (Gymnasien) Freiburg

2 Entropie phänomenal neue Experimente zur anschaulichen Einführung Fachdidaktische Erwägungen Unterrichtsgang mit Unterrichtsbausteinen und Experimenten Material: Entropielehre II Heiner Schwarze et al. Aulis-Verlag Köln Analogieserie Dampfkraftwerk Energiewerke

3 Die drei Entropiebegriffe in der Physik Thermodynamischer Entropiebegriff Statistischer Entropiebegriff Informationstheoretischer Entropiebegriff

4 Welcher Entropiebegriff soll zur zur Einführung in Sek I dienen? keine physikalische Frage sondern eine didaktische! Bildungsstandards B.-W. fordern Entropiebegriff lassen Weg offen! Didaktische Grundsätze der Bildungsstandards beachten

5 didaktische Grundsätze Bildungsstandards Physik B.-W. Am Anfang eines Physikverständnisses stehen die Vorstellungen der Schülerinnen und Schüler,... Phänomene führen zu physikalischen Fragestellungen. Erklärungen werden in Bildern, Modellen und Experimenten veranschaulicht und schrittweise mithilfe der physikalischen Fachsprache gefasst.

6 6 Stufen der physikalischen Begriffsbildung 1. Präkonzepte 2. Ausgangsphänome/Ausgangsfragen 3. Idee der physikalischen Größe 4. typische Werte und Maßeinheiten 5. Umgang mit Messgeräten 6. Quantitative Beziehung ( Formeln ) zu anderen physikalischen Größen

7 Martin Wagenschein Präkonzepte Das physikalische Denken des Knabenalters Auch was sonst über typische Denkformen der Vorpupertät berichtet wird, erscheint mir physikalisch legitim. So das Denken in Substanzbegriffen. Wenn Kinder etwa die Wärme für einen Stoff halten oder doch für etwas Stoffartiges,. (die Suche nach dem Stofflichen)

8 Wärmestoffvorstellung Weiterführende Untersuchungen bestätigen, dass Schülerinnen und Schüler dazu neigen, sich stoffliche Wärmevorstellungen zu bilden: In den Untersuchungen gibt es viele Hinweise auf Stoffvorstellungen. So vergleichen Schülerinnen und Schüler Wärme mit Stoffen wie Rauch, Dampf oder häufig auch mit Luft. Weiterhin scheint die Wärmestoffvorstellung für viele Schüler der Schuljahre 5 bis 10 durchaus einleuchtend zu sein.

9 Carnot: Entropie als Wärmestoff

10 Carnot: Entropie als Wärmestoff h 2 T 2 thermisches Kraftwerk P = h g I m P = T I S h 1 I m T 1 I S

11 Entropie als Wärmestoff Im zwanzigsten Jahrhundert insbesondere in der damals entwickelten Thermodynamik der irreversiblen Vorgänge nimmt die Entropie konkretere Eigenschaften an: räumlichen Verteilung, Dichte und Stromdichte Differenzialgleichungen wie für ein fließfähiges, die Materie durchdringendes Medium. Entropie tritt nicht nur als abstrakte Funktion auf, sie erscheint als physikalisches Objekt, nach dessen Eigenschaften, Verhalten und Wirkungen man fragen kann. Das erlaubt es, in einer ganz anderen Art über Entropie zu reden und zu denken ( immaterielles Fluidum )

12 Thermodynamischer Entropiebegriff in Sek I die Hauptsätze lassen sich anschaulich aus Erfahrungstatsachen gewinnen, die Aussagen gelten allgemein, unabhängig von mikrophysikalischen Annahmen, ist leichter anzuwenden (z.b. Prozesschemiker), Honerkamp,Römer: Klassische Theoretische Physik S. 157 die Hauptsätze können nicht streng aus mikrophysikalischen Gleichungen hergeleitet werden.

13 Richard P. Feynman:..Sintflut Atomhypothese welche Aussage würde die größte Information in den wenigsten Worten erhalten? dass alle Dinge aus Atomen, aus kleinen Teilchen aufgebaut sind, die sich permanent bewegen,

14 Entropie im Anfangsunterricht stoffartig ist enthalten kann strömen kann Energie transportieren aber kann erzeugt werden (wie die Blasen im Sprudel)

15 Statistische, informationstheoretische Entropie in Sek I? Der Übergang von der anschaulichen Makrophysik in die quantenphysikalische Mikrophysik kann bei den Inhalten Atomhülle, Atomkern thematisiert werden. Hier kann als Exkurs auf den statistischen und den informationstheoretischen Entropiebegriff eingegangen werden.

16 Was ist Wärme? Wärme ist ein Wort der Alltagssprache. Es deckt sich zum Teil mit mindestens vier verschiedenen physikalischen Größen: physikalischen Größe Energie ( thermische Energie ), physikalischen Größe Temperatur, physikalischen Größe Entropie und Wärmeempfindung. Wärme bleibt Wort der Alltagssprache und wird nicht als Name für eine physikalische Größe verwendet.

17 Zwei zentrale Aspekte des Entropiebegriffs Wärmekraftmaschinen: Entropie als Erhaltungsgröße Differenzierung Energie - Entropie Irreversible Vorgänge: Entropie kann erzeugt, aber nicht vernichtet werden.

18 Energie vor Entropie Der Energiebegriff ( 1. Hauptsatz ) wird in Unterrichtseinheiten entwickelt, z.b. Elektrizitätslehre, die die Schülerinnen und Schüler vor der Wärmelehre kennen lernen.

19 Unterrichtsgang Wärmelehre in Sek I mit Unterrichtsbausteinen und Experimenten Vorwissen: Zwei grundlegende Konzepte des Physikunterrichts:

20 Bildhafter Stromkreis Der innere Zusammenhang von Wasserstrom und elektrischem Strom wird äußerlich sichtbar verbildlicht.

21 Zentrale Regel Energie und die zweite am Energietransport beteiligte Größe (Wasser, Elektrizität, ) kann immer dort am besten unterschieden werden, wo sich ihre Wege trennen oder vereinen: Im Energie-Träger-Stromkreis geht die Energie von einer Station zur anderen, das Wasser aber strömt im Kreis.

22 Idee der physikalischen Größe Wasser, Elektrizität, Kartoffeln, Licht, Wind, Heizöl, Benzin, transportieren Energie, bildhaft ausgedrückt, sie haben die Funktion eines Energieträger. Die Pumpe belädt das Wasser mit Energie, der Wassergenerator lädt Energie von Wasser auf Elektrizität um,.

23 Auf der Karte sind 50 Punkte

24 Zentraler Versuch Mit dem strömenden Wasser strömt Energie. Sie kann mit einem Wassergenerator vom Wasser auf den Träger Elektrizität übertragen (umgeladen) werden. Im Generator geht die Energie einen anderen Weg als das Wasser. Energie-Träger-Konzept Energie-Transport-Konzept

25 Zentraler Versuch Das Wasser strömt von hohem zu tiefem Druck, solange eine Druckdifferenz vorhanden ist. Die Druckdifferenz treibt den Wasserstrom an Das Strom-Antrieb-Konzept

26 Antreiben Energie umladen / übertragen Pumpen Energie aufwenden Lernzirkel Strom- Antrieb- Konzept Entropielehre II

27 Einstieg I Teammitglieder sind Bearbeitet die Fragen in Eurer Gruppe! Schreib wesentliche Gesichtspunkte stichwortartig auf! Überlegt Euch, wie Ihr Eure Ergebnisse präsentieren wollt. Fragen: Warum erwärmen Atomkraftwerke Flüsse oder benötigen Kühltürme? Kann man die Kühlung nicht einfach abschalten? Wie funktioniert ein Kohlebzw. Atomkraftwerk?

28 Funktionsweise von thermischen Kraftwerke Warum wird eine Kühlung benötigt?

29 Funktionsweise von thermischen Kraftwerke Warum wird eine Kühlung benötigt?

30 Modelldampfkraftwerk

31 Energiewerke Lernzirkel phänomenale Entropie

32 ThermoSchülerSet

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34 Antrieb eines Hurrikans

35 Warum geht s nur mit heiß und kalt? ein thermisches Kraftwerk kann nur mit einer Temperaturdifferenz angetrieben werden

36 Analogiebetrachtungen Vergleiche!! Was entspricht sich? Die Druckdifferenz treibt den Wasserstrom an. Energie wird vom Wasser abgeladen und strömt zum Propeller. Die Temperaturdifferenz treibt den X-strom an. Energie wird vom X abgeladen und strömt zum Propeller.

37 Was ist Entropie? Entropie ist das, was durch das Thermokraftwerk hindurchströmt, von dem die Energie abgeladen wird, ein Entropiestrom wird von einer Temperaturdifferenz angetrieben, Entropie strömt von allein von hoher zu tiefer Temperatur, Wasser hoher Temperatur enthält mehr Entropie

38 Entropiepumpe Wasser wird gepumpt, es entsteht eine Druckdifferenz Entropie wird gepumpt, es entsteht eine Temperaturdifferenz

39 Schülerversuch Entropiepumpe Thermoelement als Entropiepumpe Je nach Drehrichtung des Dynamot wird einmal die obere Seite des Thermoelements warm bzw. die untere Seite kalt und umgekehrt.

40 Entropiepumpe extrem

41 Kühlschrank als Entropiepumpe Arbeitsauftrag: Vergleiche Luftpumpe Wasserpumpe Elektrizitätspumpe Entropiepumpe Zeichne jeweils ein Energieflussbild! Textarbeit Entropiepumpe absolute Temperatur

42 Klimaanlage als Entropiepumpe Viele quantitative Beispiele in Entropielehre II

43 Sind elektrische Wärmepumpen sinnvoll?

44 Modellversuch Thermokraftwerk Wärmepumpe

45 Energieschemata Energieflussbilder ϕ Hoch Energie Entropie - pumpe Energie T Hoch ϕ Tief Elektrizität Entropie Energie T Tief T Hoch Energie Entropie Thermisches Kraftwerk Energie Energie Elektrizität ϕ Hoch ϕ Tief T Tief

46 Elektrische Wärmepumpe Je größer die Temperaturdifferenz des Kraftwerks Energie Thermisches Kraftwerk Energie Energie Entropie - pumpe Energie T Tief Energie T Hoch Entropie Elektrizität Entropie je kleiner die Temperaturdifferenz der Wärmepumpe sind, T Tief Energie und desto besser ist der Gesamtwirkungsgrad! T Hoch T Hoch Energie Entropie Thermisches Kraftwerk Energie Energie Energie Elektrizität Entropie - pumpe Entropie Energie T Tief Energie T Tief

47 Theoretischer Energiefaktor einer elektr. Wärmepumpe bei Reversibilität 2,6

48 Energieschemata Energieflussbilder ϕ Hoch Energie Entropie - pumpe Energie T Hoch ϕ Tief Elektrizität Entropie Energie T Tief T Hoch Energie Entropie Thermisches Kraftwerk Energie Energie Elektrizität ϕ Hoch ϕ Tief T Tief

49 Der neue Entropiestromkreis Energie und Entropie strömen auf verschiedenen Wegen!!!

50 thermischer Energie-Träger-Stromkreis 33 0 C 30 0 C ENERGIE Wärmepumpe Thermokraftwerk 19 0 C 21 0 C Entropie

51 Heatpipe Eine Heatpipe oder ein Wärmerohr ist ein Bauteil, mit dem Wärme sehr effizient von einem Ort zu einem anderen transportiert werden kann. Es kann eine um 2 bis 3 Größenordnungen (100 bis 1000 mal) höhere Wärmemenge transportieren als ein Bauteil gleicher geometrischer Abmessungen aus massivem Kupfer.

52 Entropiestromkreis im ThermoSet 340 K ENERGIE 325 K V Wärmepumpe Thermokraftwerk 285 K 300 K Entropie

53 Stromkreise 4 V 3,5 V 340 K 325 K V Dynamo ENERGIE Lüfter ENERGIE Wärmepumpe Thermokraftwerk 0 V 0,5 V Elektrizität 285 K 300 K Entropie

54 Woher bekommt der Tauchsieder seine Entropie?? ENERGIE TAUCH - SIEDER ENERGIE EL. LADUNG ENTROPIE

55 Eine Bleistiftmine ( =7mm) wird zwischen zwei Krokodilklemmen gespannt, einen Dynamot angeschlossen und so lange gedreht bis sie glüht (Film) Woher bekommt die Bleistiftmine ihre Entropie? Besteht die Gefahr, dass du unterkühlst?

56 Entropie kann zwar erzeugt aber nicht vernichtet werden Wind kann den Tauchsieder antreiben. Kann der Tauchsieder den Propeller antreiben?

57 Entropie kann zwar erzeugt aber nicht vernichtet werden Es gibt keinen Schiffsantrieb, der die zum Antrieb benötigte Energie durch Abkühlen dem Meer entnimmt.

58 Entropie kann zwar erzeugt aber nicht vernichtet werden Aufwärts brennende Kerzen, die die Luft der Umgebung abkühlen und die dabei Energie in frisch gebildetem Kerzenwachs speichern, gibt es nicht!

59 Irreversible Prozesse - Entropieerzeugung Bei der Expansion ins Vakuum entsteht Entropie Beim Mischen von Gasen entsteht Entropie

60 Wikipedia: Entropie und "Unordnung" Problematik des Begriffs Entropie [Bearbeiten] In populärwissenschaftlichen Büchern, aber auch in vielen Lehrbüchern wird die Entropie mit Unordnung gleichgesetzt. Diese Analogie trifft für einige Systeme zu, z.b. besitzt ein geordneter Kristall eine viel geringere Entropie als seine Schmelze. Für andere Systeme ist diese Betrachtung eher problematisch, z.b. besitzt eine geordnete Biomembran in Wasser eine höhere Entropie als ihre ungeordneten, in Wasser gelösten Bestandteile.

61 Wikipedia: Entropie und "Unordnung" Das Problem besteht in erster Linie darin, dass der umgangssprachliche Begriff Unordnung nicht eindeutig definiert ist und die Entropie kein Maß für die Symmetrie des Systems darstellt, sondern für die Anzahl der mikroskopisch erreichbaren Zustände unabhängig von ihrem wie auch immer definierten Ordnungsgrad. Insbesondere in Lehrbüchern der theoretischen Physik wird der Begriff Unordnung deshalb gemieden.

62 Ziel: Reduzierung der Entropieerzeugung! Durch technische Mittel versucht der Mensch die Entropieproduktion der Natur zu minimieren und die somit gewonnene Energie intelligent zu nutzen.

63 Aus einem Portfolio Kl. 10. Und hiermit kann ich direkt meinen letzten wichtigen Inhalt anschließen, nämlich die Zusammenhänge zwischen Hydraulik, Elektrizitätslehre und Thermik. In allen drei Gebieten gibt es ständig Überschneidungen, die in Tabellen festgehalten wurden. Z. B. Druckdifferenz, elektrische Potenzialdifferenz und Temperaturdifferenz. Es sind zwar verschiedene Bezeichnungen, aber im Prinzip erfüllen alle dieselben Faktoren, dieselbe Aufgabe, in ihrem Gebiet.

64 Aus einem Portfolio Kl. 10 Das war eine interessante und auch beeindruckende Feststellung, da man hier sieht, wie nahe diese drei Themen doch miteinander zusammenhängen. Außerdem erleichtert es das Verständnis, da verstehen das Verbinden mit schon bekannten Dingen bedeutet, also die Funktion eines Faktors auf ein weiteres physikalisches Gebiet.

65 Neue Experimente und Materialien Aulis: Unterricht Physik Band 22: Entropielehre II erscheint Frühsommer 2008 Conatex: Conatex: thermischer Energie-Träger-Stromkreis Quick-Cool-ThermoSchülerSet Bausatz Energierwerke Modell-Dampfkraftwerk Alle Anleitungen und mehr zu finden unter

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67 Lösungshinweise Aufg. 2 Carnot: Entropie als Wärmestoff h 2 T 2 thermisches Kraftwerk P = h g I m P = T I S h 1 I m T 1 I S

68 Lösungshinweise Aufg. 3 Carnot: Entropie als Wärmestoff IS 500K IS T IS P1 = 500K IS 100% Kraftwerk 300 K IS IS 300K IS 60%

69 Lösungshinweise Aufg. 3 Carnot: Entropie als Wärmestoff Thermischer Transformator U I = U* I* T IS = T* IS* 200 K IS = 50K IS* IS* = 4 IS T IS IS IS* P2 = 2,56 P1 IS* 270 K IS* 320 K IS* Wärmepumpe P2 = 320 K IS* 270K IS*

70 Theoretischer Energiefaktor einer elektr. Wärmepumpe bei Reversibilität 2,6